《2017-2018學年高中物理 第十章 熱力學定律 第5、6節(jié) 熱力學第二定律的微觀解釋 能源和可持續(xù)發(fā)展教學案 新人教版選修3-3》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2017-2018學年高中物理 第十章 熱力學定律 第5、6節(jié) 熱力學第二定律的微觀解釋 能源和可持續(xù)發(fā)展教學案 新人教版選修3-3（8頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、第5、6節(jié) 熱力學第二定律的微觀解釋能源和可持續(xù)發(fā)展1.熱力學第二定律的微觀意義：一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。2熱力學第二定律可叫做熵增加原理：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小。3能量耗散雖然不會導致能量總量的減少，卻會導致能量品質(zhì)的降低，實際上是將能量從高度有用的高品質(zhì)形式降低為不大可用的低品質(zhì)形式。一、熱力學第二定律的微觀解釋1有序、無序一個系統(tǒng)的個體按確定的某種規(guī)則，有順序地排列即有序；個體分布沒有確定的要求，“怎樣分布都可以”即無序。2宏觀態(tài)、微觀態(tài)系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)即宏觀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)個體的不同分布狀態(tài)即微觀態(tài)。3熱力學第二定律的微觀意義一切自發(fā)過程總是
2、沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。4熵及熵增加原理(1)熵：表達式Skln ，k表示玻耳茲曼常量，表示一個宏觀狀態(tài)所對應的微觀狀態(tài)的數(shù)目。S表示系統(tǒng)內(nèi)分子運動無序性的量度，稱為熵。(2)熵增加原理：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小。二、能源和可持續(xù)發(fā)展1能量耗散和品質(zhì)降低(1)能量耗散：有序度較高(集中度較高)的能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，成為更加分散因而也是無序度更大的能量，分散到環(huán)境中無法重新收集起來加以利用的現(xiàn)象。(2)各種形式的能量向內(nèi)能轉(zhuǎn)化方向是無序程度較小的狀態(tài)向無序程度較大的狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，是能自動發(fā)生、全額發(fā)生的。(3)能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的自發(fā)變化過程具有方
3、向性。(4)能量耗散雖然不會導致能量總量的減少卻會導致能量品質(zhì)的降低，實際上是將能量從高度有用的高品質(zhì)形式降級為不大可用的低品質(zhì)形式。2能源和環(huán)境1自主思考判一判(1)熵越小，系統(tǒng)對應的微觀態(tài)就越少。()(2)在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會增加。()(3)大量分子無規(guī)則的熱運動能夠自動變?yōu)橛行蜻\動。()(4)能量耗散會導致總能量的減少，也會導致能量品質(zhì)的降低。()(5)熱傳遞的自然過程是大量分子從無序程度小的運動狀態(tài)向無序程度大的運動狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程。()(6)既然能量是守恒的，那么人類就沒必要節(jié)約能源。()2合作探究議一議(1)怎樣理解一個孤立的系統(tǒng)熵不會減小？提示：從微觀的角度看，
4、熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律；自發(fā)的宏觀過程總是向無序性更大的方向發(fā)展。而熵較大代表著較為無序，熵小代表有序，所以一個孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展。(2)既然能量守恒，為什么還要節(jié)約能源？提示：人們在使用能源的時候，高品質(zhì)的能量釋放出來并最終轉(zhuǎn)化為低品質(zhì)的內(nèi)能。雖然能量不會減少，但能源會越來越少，所以要節(jié)約能源。(3)流動的水帶動水磨做功，由于磨盤之間的摩擦、磨盤和糧食之間的摩擦和擠壓，使磨盤和糧食的溫度升高，水流的一部分機械能轉(zhuǎn)變成了內(nèi)能，這些內(nèi)能最終流散到周圍的空氣中，我們沒有辦法把這些流散的內(nèi)能重新收集起來加以利用。請思考：內(nèi)能與機械能相比，哪種能量的品質(zhì)低？提示：內(nèi)能。能量
5、的耗散雖然不會使能量減少，卻會導致能量品質(zhì)的降低，它實際上將能量從高度有用的形式降級為不大可用的形式。故內(nèi)能較之機械能是一種低品質(zhì)的能量。熱力學第二定律的微觀意義1熱力學第二定律的微觀意義：熱力學第二定律揭示了涉及熱現(xiàn)象的一切宏觀自然過程都只能在一個方向上發(fā)生，而不會可逆地在相反的方向上出現(xiàn)。它指出在能量得以平衡的眾多過程中，哪些可能發(fā)生，哪些不可能發(fā)生。自然界涉及熱現(xiàn)象的一切宏觀過程都是不可逆的，宏觀自發(fā)過程的這種方向性(熵增加的方向)，也就成為時間的方向性。所以，“熵”又常常被稱為“時間箭頭”。2熵和熵增加原理的理解(1)熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量，正如溫度反映物體內(nèi)分子平均動能大小一樣
6、。系統(tǒng)越混亂，無序程度越大，就稱這個系統(tǒng)的熵越大。(2)系統(tǒng)自發(fā)變化時，總是向著無序程度增加的方向發(fā)展，至少無序程度不會減少。也就是說，系統(tǒng)自發(fā)變化時，總是由熱力學概率小的狀態(tài)向熱力學概率大的狀態(tài)進行。從熵的意義上來說，系統(tǒng)自發(fā)變化時，總是向著熵增加的方向發(fā)展，不會使熵減小。(3)任何宏觀物質(zhì)系統(tǒng)都有一定量的熵，熵也可以在系統(tǒng)的變化過程中產(chǎn)生或傳遞。1(多選)關(guān)于熱力學第二定律的微觀意義，下列說法正確的是()A大量分子無規(guī)則的熱運動能夠自動轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蜻\動B熱傳遞的自然過程是大量分子從有序運動狀態(tài)向無序運動狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程C熱傳遞的自然過程是大量分子從無序程度小的運動狀態(tài)向無序程度大的運動狀態(tài)轉(zhuǎn)化
7、的過程D一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行解析：選CD因為大量分子做無規(guī)則熱運動，因此系統(tǒng)的一個宏觀過程包含著大量的微觀狀態(tài)，這是無序的運動；熱運動的結(jié)果只能使分子熱運動更加無序；熱傳遞的自然過程是自發(fā)進行的；由熱力學第二定律的微觀意義知，一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。故C、D正確，A、B錯誤。2(多選)下面關(guān)于熱力學第二定律微觀意義的說法正確的是()A從微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律B一切自然過程總是沿著分子熱運動無序性減小的方向進行C有的自然過程沿著分子熱運動無序性增大的方向進行，有的自然過程沿著分子熱運動無序性減小的方向進行D在任何自
8、然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小解析：選AD從熱力學第二定律的微觀本質(zhì)看，一切不可逆過程總是沿著大量分子熱運動無序程度增大的方向進行，我們知道熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律，故A對，B、C錯。任何自然過程總是朝著無序程度增大的方向進行，也就是朝著熵增加的方向進行，故D對。3下列說法中正確的是()A無摩擦、無漏氣等能量損失，就能使熱機效率達到100%B熱量不能從低溫物體傳到高溫物體C一切物理過程都具有方向性D由熱力學定律可推斷出某個物理過程是否能自發(fā)進行解析：選D對任何熱機在工作時都不可避免地要向冷凝器的周圍環(huán)境散發(fā)熱量，總有能量的損失，因此其效率無法達到100%；熱量能從低溫物體傳到高溫物體
9、，但必須有外界的幫助；一切涉及熱現(xiàn)象的物量過程都具有方向性；在熱力學定律的基礎(chǔ)上可以導出其他過程的方向性，如氣體的擴散、氣體向真空的膨脹等。能源開發(fā)和利用及能源的分類1能源開發(fā)和利用的關(guān)系圖2能源的分類能源分類方法能源分類名稱特點舉例按形成或轉(zhuǎn)換特點分一次能源自然形成，未經(jīng)加工太陽能、風能、地熱能、核能、潮汐能二次能源由一次能源經(jīng)加工轉(zhuǎn)換而成焦炭、木炭、蒸汽、液化氣、酒精、汽油、電能按利用技術(shù)分常規(guī)能源已大規(guī)模正常使用煤、石油、天然氣新能源正在開發(fā)，或有新的利用方式太陽能、水能、核能、地熱能、海洋能、沼氣、風能按可否再生分可再生能源可循環(huán)使用、不斷補充水能、風能、生物質(zhì)能、地熱能不可再生能源短
10、期內(nèi)無法轉(zhuǎn)換獲得煤、石油、天然氣、核燃料按對環(huán)境污染情況分清潔能源對環(huán)境基本上沒有污染太陽能、海洋能、風能、水能污染能源會嚴重污染環(huán)境化石燃料(煤、石油、天然氣)1(多選)下列關(guān)于能源的說法中正確的是()A能源是取之不盡，用之不竭的B能源是有限的，特別是常規(guī)能源，如煤、石油、天然氣等C大量消耗常規(guī)能源會使環(huán)境惡化，故提倡開發(fā)利用新能源D核能的利用對環(huán)境的影響比燃燒石油、煤炭大解析：選BC盡管能量守恒，但耗散的能量無法重新收集起來并加以利用，所以能源是有限的，特別是常規(guī)能源，故A錯誤，B正確。常規(guī)能源的利用比核能的利用對環(huán)境影響大，故C正確，D錯誤。2關(guān)于能源的開發(fā)和利用，下列觀點錯誤的是()A
11、無節(jié)制地利用能源，是一種盲目的短期行為B根據(jù)能量守恒定律，能源是取之不盡、用之不竭的C能源的開發(fā)和利用，必須同時加強對環(huán)境的保護D不斷開發(fā)新能源，是緩解能源危機的主要途徑解析：選B能源是有限的，必須合理利用能源，A正確；盡管能量守恒，但使用過程中會有能量耗散及品質(zhì)降低，B錯誤；能源利用推動人類進步的同時會破壞人類生存的環(huán)境，必須加強保護，C正確；開發(fā)新能源、清潔能源可以緩解常規(guī)能源的不足，D正確。3(多選)下列對能量耗散的理解正確的有()A能量耗散說明能量在不斷減少B能量耗散遵守能量守恒定律C能量耗散說明能量不能憑空產(chǎn)生，但可以憑空消失D能量耗散從能量角度反映出自然界的宏觀過程具有方向性解析：
12、選BD在發(fā)生能量轉(zhuǎn)化的宏觀過程中，其他形式的能量最終會轉(zhuǎn)化為流散到周圍環(huán)境的內(nèi)能，無法再回收利用，這種現(xiàn)象叫能量耗散。能量耗散并不違反能量守恒定律，宇宙的能量既沒有減少，也沒有消失，它只從能量角度反映出自然界的宏觀過程具有方向性，故A、C錯誤，B、D正確。1(多選)關(guān)于有序和無序宏觀態(tài)和微觀態(tài)，下列說法正確的是()A有序和無序是絕對的B一個“宏觀態(tài)”可能對應著許多的“微觀態(tài)”C一個“宏觀態(tài)”只能對應著唯一的“微觀態(tài)”D無序意味著各處一樣、平均、沒有差別解析：選BD因為無序是各處都一樣、平均、沒有差別，故D項正確；而有序和無序是相對的，故A項錯誤；而一個“宏觀態(tài)”可能對應一個或多個“微觀態(tài)”，所
13、以B項正確，C項錯誤。2(多選)關(guān)于“溫室效應”，下列說法正確的是()A太陽能源源不斷地輻射到地球上，由此產(chǎn)生了“溫室效應”B石油和煤炭燃燒時產(chǎn)生的二氧化碳增加了大氣中二氧化碳的含量，由此產(chǎn)生了“溫室效應”C“溫室效應”使得地面氣溫上升、兩極冰雪融化D“溫室效應”使得土壤酸化解析：選BC“溫室效應”的產(chǎn)生是由于石油和煤炭燃燒時產(chǎn)生的二氧化碳增加了大氣中二氧化碳的含量。它的危害是使地面氣溫上升、兩極冰雪融化、海平面上升、淹沒沿海城市、海水向河流倒灌、耕地鹽堿化等，故B、C選項正確。3下列關(guān)于熵的有關(guān)說法錯誤的是()A熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運動無序性的量度B在自然過程中熵總是增加的C熱力學第二定律也叫做熵
14、減小原理D熵值越大代表越無序解析：選C根據(jù)熵增加原理，不可逆過程總是朝著熵增大的方向進行，故C錯。4下列供熱方式最有利于環(huán)境保護的是()A用煤做燃料供熱B用石油做燃料供熱C用天然氣或煤氣做燃料供熱D用太陽能供熱解析：選D煤、石油、天然氣、煤氣均為常規(guī)能源(化石能源)，大量使用會產(chǎn)生二氧化碳，加重“溫室效應”，并且燃料燃燒釋放的氣體中含有有毒有害氣體，污染環(huán)境。而太陽能是一種清潔能源，對環(huán)境影響小。故D對。5若一氣泡從湖底上升到湖面的過程中溫度保持不變，則在此過程中關(guān)于氣泡中的氣體，下列說法正確的是()A氣體分子間的作用力增大B氣體分子的平均速率增大C氣體分子的平均動能減小D氣體組成的系統(tǒng)的熵增
15、加解析：選D氣體分子之間的距離很遠，分子間的作用力可以認為為零，A項錯誤；由于溫度是分子熱運動的平均動能的標志，溫度不變，氣體分子熱運動的平均動能就不變，氣體分子熱運動的平均速率就不變，B、C項錯誤；自發(fā)的自然過程中，熵值是增加的，D項正確。6(多選)熱現(xiàn)象過程中不可避免地出現(xiàn)能量耗散的現(xiàn)象。所謂能量耗散是指在能量轉(zhuǎn)化的過程中無法把流散的能量重新收集、重新加以利用。下列關(guān)于能量耗散的說法中正確的是()A能量耗散說明能量不守恒B能量耗散不符合熱力學第二定律C能量耗散過程中能量仍守恒D能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有的方向性解析：選CD能量耗散過程能量仍守恒，但可利用的能源越
16、來越少，這說明自然界中的宏觀過程具有方向性，恰恰說明符合熱力學第二定律，故C、D對。7(多選)關(guān)于氣體向真空中擴散的規(guī)律的敘述中正確的是()A氣體分子數(shù)越少，擴散到真空中的分子全部回到原狀態(tài)的可能性越大B氣體分子數(shù)越多，擴散到真空中的分子全部回到原狀態(tài)的可能性越大C擴散到真空中的分子在整個容器中分布越均勻，其宏觀態(tài)對應的微觀態(tài)數(shù)目越大D氣體向真空中擴散時，總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行解析：選ACD氣體分子向真空中擴散中時，分子數(shù)越少，分子全部分布于原狀態(tài)下即全部回到原狀態(tài)的概率越大；分子數(shù)越多，分子全部分布于原狀態(tài)下即全部回到原狀態(tài)的概率越小，則A正確B錯誤。擴散到真空中的分子在整
17、個容器中均勻分布的概率最大，即其宏觀態(tài)對應的微觀態(tài)最多，并且這一宏觀態(tài)的無序性最強，C、D正確。8.質(zhì)量一定的某種物質(zhì)，在壓強不變的條件下，由液體與氣態(tài)(可看成理想氣體)變化過程中溫度(T)隨加熱時間(t)變化關(guān)系如圖1所示。單位時間所吸收的熱量可看成不變。圖1(1)以下說法正確的是_。A在區(qū)間，物質(zhì)的內(nèi)能不變B在區(qū)間，分子間的勢能不變C從區(qū)間到區(qū)間，物質(zhì)的熵增加D在區(qū)間，物質(zhì)分子熱運動的平均動能隨著時間的增加而增大(2)在區(qū)間，若將壓強不變的條件改為體積不變，則溫度升高_(選填“變快”“變慢”或“快慢不變”)，請說明理由。解析：(1)區(qū)間是汽化過程，要吸收熱量，內(nèi)能增加，A錯誤；區(qū)間看成理想
18、氣體，無分子勢能，B正確；從區(qū)間到區(qū)間是不可逆過程，分子無序性增加，熵增加，C正確；在區(qū)間，隨時間增加，物質(zhì)溫度升高，分子熱運動的平均動能增大，D正確。(2)根據(jù)熱力學第一定律UQW，理想氣體的狀態(tài)方程C可知，在吸收相同的熱量Q時，壓強不變的條件下，V增加，W0，U1Q|W|；體積不變的條件下，W0，U2Q；所以U1U2，體積不變的條件下溫度升高變快。答案：(1)BCD(2)變快理由見解析9瀑布從20 m高處以103 m3/s的流量豎直落下，流進底部的水輪機后再以2 m/s的速度流出，水輪機再帶動發(fā)電機發(fā)電。如果水的機械能轉(zhuǎn)化為電能的效率是80%，那么發(fā)電機發(fā)出的電功率有多大？(瀑布在山頂?shù)乃俣瓤珊雎圆挥?，g取10 m/s2)解析：設t時間內(nèi)流下的水的質(zhì)量為m，以m為研究對象，豎直下落后減少的機械能為mghmv2轉(zhuǎn)化為電能的功率為P(gh)0.8103103(102022)0.8 W1.58108 W1.58105 kW。答案：1.58105 kW8
2017-2018學年高中物理 第十章 熱力學定律 第5、6節(jié) 熱力學第二定律的微觀解釋 能源和可持續(xù)發(fā)展教學案 新人教版選修3-3
